Google demonstriert Magic State Cultivation auf Willow und senkt Fehler etwa um das 40-Fache

Google Quantum AI gibt an, gezeigt zu haben, dass Magic State Cultivation, eine Technik zur Präparation einer besonderen Art von Quantenressource, auf seinem supraleitenden Willow-Prozessor funktioniert. Nach Angaben des Unternehmens senkte die Methode die Fehler ungefähr um den Faktor 40 im Vergleich zu Zuständen, die ohne sie präpariert wurden. Google zufolge wurde die Arbeit in Science veröffentlicht; angekündigt wurde sie diese Woche in einem Blogbeitrag der Forschungswissenschaftlerin Emma Rosenfeld und des Quantensoftware-Ingenieurs Craig Gidney.

Fehlertolerante Quantencomputer benötigen einen universellen Satz von Operationen, und die sogenannten Nicht-Clifford-Gatter darunter verursachen bei den meisten Fehlerkorrektur-Designs erhebliche Ressourcenkosten. Ein gängiger Weg, sie bereitzustellen, besteht darin, zunächst spezielle Eingangszustände, sogenannte magische Zustände, zu präparieren und sie zur Ausführung dieser Operationen zu verbrauchen. Jeder magische Zustand kann nur einmal verwendet werden, und ihn mit geringem Fehler herzustellen ist aufwendig: Google verweist auf Schätzungen, wonach bis zu 95% der Kapazität einer Maschine auf ihre Erzeugung entfallen könnten. Forschende hätten diesen Engpass seit 2004 vorhergesehen, so das Unternehmen.

Cultivation wurde 2024 von Gidney gemeinsam mit seinen Google-Kollegen Noah Shutty und Cody Jones vorgeschlagen, die eine Idee aus früherer Fachliteratur weiterentwickelten. Das Verfahren wirkt wie ein Filter: Ein verrauschter Zustand wird in einen kleinen Bereich des Chips eingebracht und dann durch eine Folge koordinierter Messungen geprüft; jeder Versuch, der einen Fehler offenbart, wird verworfen. Laut dem Abstract des arXiv-Preprints des Teams erreichte das Experiment eine Zustandsfidelität von 0,9999(1), wobei 8% der Versuche behalten wurden, und das Team entwickelte ein fehlertolerantes Messprotokoll, um diese Fidelität einzugrenzen. Google bezeichnet die logische Fidelität von 99,99% für seine T-Zustände als Rekord.

Die Forschenden übertrugen kultivierte Zustände zudem zwischen zwei Fehlerkorrekturverfahren. Farbcodes, ein neuerer Ansatz, eignen sich für Cultivation, während Oberflächencodes die etabliertere Methode sind. Das Team übertrug Zustände aus einem Distanz-3-Farbcode in einen Distanz-5-Oberflächencode, was laut Google zeigte, dass gereinigte Zustände die Übergabe auf seiner Hardware überstehen können. Das Unternehmen beschrieb außerdem monatelange Fehlersuche, nachdem frühe Daten physikalisch unplausibel erschienen waren: Rosenfeld führte das Problem auf Laborrauschen durch driftende elektrische Geräte und Temperaturänderungen zurück, die den üblichen Benchmark des Teams untergruben. Dies führte zu zusätzlicher Kontrolle und einem neuen Benchmarking-Ansatz, bei dem Cultivation genutzt wird, um sich selbst zu messen.

Google räumte ein, dass Cultivation noch in größerem Maßstab demonstriert werden muss, bevor es für praktische Maschinen realistisch wird, und erklärte, dass noch zahlreiche technische Herausforderungen bestehen. Der Wert für die behaltenen Versuche bedeutet zudem, dass die meisten Versuche im Experiment verworfen wurden. Ein Preprint der Arbeit war bereits zuvor auf arXiv erschienen. Google stellt das Ergebnis als Schritt auf dem Weg zu seinem Ziel dar, einen nützlichen, fehlerkorrigierten Quantencomputer zu bauen.